Summary
Здесь мы опишем простой, неинвазивная подход с использованием ближней инфракрасной спектроскопии для оценки реактивная гиперемия, муфта нервно-сосудистого и скелетных мышц окислительного потенциала в одно посещение клиники и лаборатории.
Abstract
Упражнение представляет основных гемодинамический стресс, который требует высоко скоординированных нейроваскулярных реакции для того чтобы сопрягать доставки кислорода к метаболических спроса. Реактивная гиперемия (в ответ на краткий период ишемии тканей) является независимым предиктором развития сердечно-сосудистых событий и предоставляет важную возможность заглянуть в сосудистого здоровья и сосудорасширяющих потенциала. Скелетных мышц окислительного потенциала столь же важную роль в здоровье и болезни, как он определяет энергоснабжения для myocellular процессов. Здесь мы опишем простой, неинвазивная подход с использованием ближней инфракрасной спектроскопии для оценки каждого из этих основных клинических конечных точек (реактивная гиперемия, муфта нервно-сосудистого и окислительной способности мышц) в течение одного посещения клиники и лаборатории. В отличие от ультразвуковой допплерографии, изображения/спектроскопия магнитного резонанса, или инвазивных потока на базе катетер измерения или биопсии мышц наш подход является менее зависит от оператора, лоу кост и полностью неинвазивной. Репрезентативных данных от нашей лаборатории, вместе с резюме данных из ранее опубликованной литературы проиллюстрировать полезность каждого из этих конечные точки. Как только освоил эту технику, применение клинического населения обеспечит важные механистический проницательность в нетерпимости упражнения и сердечно-сосудистой дисфункции.
Introduction
Гиперемирована ответ на краткий период ишемии тканей стала критерием неинвазивной сосудистой функции (микро). При окклюзии артерии каналом ниже по течению артериол расширяются в попытке компенсировать ишемического инсульта. После освобождения прикус снижение сосудистого сопротивления приводит гиперемия, величина которого определяется способностью распространяться вниз по течению microvasculature. В то время как реактивная гиперемия является сильным независимым предиктором сердечно-сосудистых событий1,2 и, следовательно, клинически значимых конечной точки, ее функциональное значение проявлять терпимость и качества жизни является менее ясным.
Действительно динамические упражнения представляет основных сердечно-стресс, который требует высоко скоординированных нейроваскулярных реакции для того чтобы сопрягать доставки кислорода к метаболических спроса. Например поток крови скелетных мышц может увеличить почти 100 раз во время изолированных мышечных сокращений3, который будет подавлять насосные мощности сердца, если такой гемодинамические реакции были экстраполированы для всего тела упражнения. Таким образом чтобы избежать тяжелой гипотензии, симпатичная(ый) (то есть, сосудосуживающие) нервной деятельности увеличивается до перераспределения сердечного выброса от неактивных и висцеральных тканей и к4активных скелетных мышц. Симпатичная(ый) отток также направлен на осуществление скелетных мышц5; Однако, местные метаболических сигнализации ослабляет сосудосуживающие реакции для того, чтобы обеспечить адекватные ткани кислорода доставки6,,78,9,10, 11. коллективно, этот процесс называется функциональной sympatholysis12и важно для нормального регулирования потока крови скелетных мышц во время физических упражнений. Поскольку поток крови скелетных мышц является одним из ключевых факторов аэробной способности — независимым предиктором качества жизни и заболевания сердечно-сосудистой заболеваемости и смертности13— понимание контроля скелетных мышц кровью тканей и поток кислорода Доставка во время упражнения имеет большое клиническое значение.
Доставки кислорода является лишь половина уравнения Фика, однако, с использованием кислорода, удовлетворяющих другая половина уравнения. Среди основных брендовая использования кислорода, митохондриальных окислительного фосфорилирования играет важную роль в обеспечении надлежащего пополнения энергии для клеточных процессов как в состоянии покоя, так и во время физических упражнений. Действительно нарушениями в окислительной способности мышц может ограничить функциональные способности и качества жизни14,,1516. Различные меры обычно используются для предоставления индекс окислительного потенциала мышц, включая инвазивные мышечной биопсии и дорогим и трудоемким магнитно-резонансная спектроскопия (MRS) методы.
Здесь мы предлагаем роман, неинвазивная подход, использование ближней инфракрасной спектроскопии (НДО), для оценки каждого из этих трех основных клинических конечных точек (реактивная гиперемия, sympatholysis и окислительной способности мышц) в одно посещение клиники или лаборатории. Основные преимущества этого подхода три раза: во-первых, этот метод легко переносимым, относительно низкая стоимость и легко выполнять. Нынешние подходы ультразвуковой допплерографии для измерения реактивная гиперемия сильно зависит от оператора — требуя обширной навыков и профессиональной подготовки — и требуют данных сложных, дорогостоящих, приобретение оборудования и пост-обработки программного обеспечения. Кроме того это теоретически может быть введена в клинике и/или крупных клинических испытаний для прикроватный мониторинг или тестирования терапевтической эффективности. Во-вторых согласно методологии, эта техника конкретно нацелена на microvasculature скелетных мышц, увеличивая общую специфика техники. Альтернативные подходы, с помощью ультразвуковой допплерографии полностью сосредоточиться на вышестоящем каналом судов и вывести изменения, которые могут ослабить сигнал. В-третьих этот метод является полностью неинвазивной. Скелетных мышц окислительного потенциала традиционно оценивается с инвазивными и болезненные мышечные биопсии и функциональной sympatholysis могут быть оценены с внутри артериальной инъекции симпатомиметиков и sympatholytics. Этот подход позволяет избежать эти требования все вместе.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Этот протокол руководящими институциональных Наблюдательный Совет Техасского университета в Арлингтоне и соответствует стандартам, установленным в последней версии Хельсинкской декларации. Соответственно письменного согласия был (и следует) полученные до начала процедуры исследования.
1. приборостроение
Примечание: Следующие описания аппаратуры основан на ближней ИК-области спектра (NIR) спектрометра и приобретение системы данных используется в нашей лаборатории (см. Таблицу материалы). Таким образом инструкции включают шаги, которые необходимы для оптимального функционирования этих устройств. Эти шаги включают в себя калибровка NIR зонд, с помощью сопутствующих программного обеспечения и калибровки Фантом и применение темной ткани исключить рассеянного света. В случае, если используются различные данные сбора оборудования или программного обеспечения, следователи должны проконсультироваться свои собственные конкретные инструкции для калибровки и окружающего света соображений. Рисунок 1 иллюстрирует экспериментальная установка и приборостроение, немедленно описано ниже.
- Поручить тему лежать лежа с ноги внутри тела отрицательного давления (LBNP) палаты (Рисунок 1A), так что их поясная линия составляет примерно даже с открытием в поле LBNP. Для получения инструкций о том, как построить LBNP камеру увидеть ссылки17.
- Поместите три электроды ЭКГ на тему: два в месте уступает, середину ключицы и один по этому вопросу левой стороне медиальной к подвздошной кости. Эта конфигурация обеспечивает наилучшие результаты из-за ограниченного доступа к нижних конечностей, КИПиА и верхних конечностей, движения рук во время ручной сцепление упражнения.
- Место модуля monitor неинвазивного артериального давления на запястье доминирующей субъекта. Поместите палец кровяного давления манжеты на каждый палец и подключите их к модулю (рис. 1B). Убедитесь, что палец кровяного давления манжеты откалиброваны правильно согласно сопровождающей устройство руководство пользователя.
- Указание темы понять ручной захват динамометра (HGD) с их недоминирующее рукой слегка похищенных позиции. Руки должны быть удобно расположены на тумбочке. Расстояние и угол HGD следует скорректировать для прочности оптимальное сцепление с минимальным руку движения (рис. 1 c).
- Закрепите HGD на тумбочку.
- Измерьте максимальную добровольного сокращения (MVC) участника. Скажите участник, что при появлении запроса, они должны сжать HGD так сложно, как можно при использовании только мышцы рук и предплечья. Поручить тему, что они должны воздерживаться от вербовки их плеча, груди, плеч или мышцы живота при выполнении максимальное сцепление.
- Повторите шаг 1.6 три раза, разделенные по крайней мере 60 s. рекорд достигнута максимальная сила (лучше 3). Эта максимальная сила будет использоваться для расчета интенсивности упражнений для окислительного потенциала скелетных мышц и нервно-сосудистых муфты (см. ниже).
- Место Рапид инфляции манжету вокруг плеча осуществляющих руки. Подключите авиакомпания от высоких темпов инфляции контроллера к манжете.
- Идентифицировать сгибателей пальцев profundus. Используйте маркер кожи для демаркации границ ощутима мышцы.
- Убедитесь, что NIR спектрометры откалиброван правильно согласно руководство пользователя включены с вашим устройством. Очистите кожу, над которым будет располагаться NIR зонд с алкоголем приготовительный wipe.
- Поместите датчик NIR центр живота мышцы (сгибателей пальцев profundus) и надежно прикрепить его к предплечья.
- Оберните зонда и предплечья с темной тканью, минимизации помех от окружающего света (Рисунок 1 c, 1 d на рисунке).
- Когда все готово для выполнения функциональных sympatholysis часть исследования, уплотнение тему в камеру LBNP.
2. скелетные мышцы окислительного потенциала
Примечание: На рисунке 2 изображена репрезентативных данных трассировки, иллюстрирующие экспериментальная процедура измерения окислительного потенциала скелетных мышц. Этот экспериментальный подход ранее были проверены против в vivo фосфора миссис18 и в situ мышцы respirometry19и приобретает широкое признание20.
- Документ предметом, как указано выше (приборов).
- Указание темы лежат еще за 2 мин, в то время как мониторинг deoxyhemoglobin (ННВ) и оксигемоглобина (2HbO) через зонд НДК.
Примечание: Этот период отдыха позволяет субъекту оправиться от любого движения артефакт, связанный с процессом инструментирования и обеспечивает стабильные базовые измерения. Если через 2 мин произошли не значительные колебания, тема может рассматриваться на стационарном или отдыха базовых. - До манжеты окклюзии уведомить ваш вопрос, что вы будет Накачивание манжеты. Надуйте плеча манжеты по крайней мере 30 мм рт.ст выше систолического артериального давления для 5 минут (например, suprasystolic). Указание темы держать их руки как еще и расслабленной, как можно скорее, как во время манжеты инфляции и дефляции следующие манжеты.
Примечание: Это 5 минут манжета плечевой артерии окклюзии протокол тесно отражает принятые в настоящее время клинических стандарт для окклюзии сосудов тесты21,-22,-23,-24,-25. - Записать значение начального/базового (до манжеты непроходимость) и значение Надир насыщения тканей (2кН) во время окклюзии манжеты и определить середину между этими двумя значениями.
- Позвольте субъектам оправиться от манжеты окклюзии и вернуться к покоя базовых значений. Как только предметом поддерживал покоя базовый уровень для по крайней мере 1 полный мин, продолжать к следующему шагу.
- Указание при условии выжать и поддерживать Изометрические рукоятка на 50% от их MVC. Поощрять субъекта поддерживать их изометрического сокращения до тех пор, пока ткань насыщенность на 50%. По достижении этого значения, скажите предмет расслабиться их руку и сообщить им, что требуется больше упражнений или движение.
- В течение 3-5 s следующие упражнения прекращение, применять следующие серии окклюзии быстрого манжеты (одна серия = 1 инфляции + 1 дефляции), как ранее создана18:
Серия #1 - 6: 5/5 сек выкл
Серия #7 - 10: 7/10 сек выкл
Серии #11-14:10 сек/15 выкл
Серии s #15-18:10 / 20 с выкл. - После завершения 18й серии инфляции/дефляции, поручить тему для отдыха, позволяя насыщения тканей вернуться в первоначальные базовые ценности. После того, как эти ценности изменились по крайней мере 2 мин, повторите шаги 2.4 и 2.5.
-
Расчет окислительного потенциала скелетных мышц
- Рассчитайте уклон изменения в StO2для каждого из отдельных 18 манжеты окклюзии, образуя точек восстановления monoexponential, показано на рисунке 2 c.
- Соответствовать расчетные данные от 2,7 до следующих monoexponential кривой18,19,26
y = конец - Δ x e-kt
Примечание: «y» относительного мышц кислородом расхода (2mV̇O) во время раздувания манжеты, «End» представляет mV̇O2 сразу после прекращения упражнений; Дельта («Δ») обозначает изменения в2 mV̇O от отдыха в конце упражнения; «k» является установка константа скорости; 't' время. Тау рассчитывается как 1/k.
3. реактивная гиперемия
Примечание: На рисунке 3изображен репрезентативных данных трассировки, иллюстрирующие экспериментальная процедура измерения реактивная гиперемия.
- С темой лежа лежа и инструментальной как описано выше (приборов), поручить тему лежать неподвижно, как возможно.
- Как только тема уже достигнуто согласованное состояние покоя, продолжают записать по крайней мере 1 мин базовых данных и затем быстро надувать манжеты кровяного давления на предплечье suprasystolic давления (30 mmHg выше систолического артериального давления).
- На отметке 5 мин быстро выкачать манжеты во время записи гиперемирована ответ.
- Продолжить запись для по крайней мере 3 мин для захвата его восстановления.
-
Расчет реактивная гиперемия
Примечание: Параметры NIRS рассчитывается изображены на рисунке 3.- Вычислите базовые StO2 как средняя StO2 за 1 мин полного предварительного для начала манжеты артериальной окклюзии.
- Определите скелетных мышцах метаболизма как уровень насыщения (т.е., средний уклон) во время манжеты окклюзии (определяемой как склон 1)27,28.
- Рассчитайте реактивная гиперемия следующим образом:
) средняя расчищенной после выпуска манжеты (то есть, реперфузия темп, определяется как откоса 2), рассчитывается с момента выпуска манжеты через линейно рост фазе отскока трассировки;
b) наибольшее значение2 StO достиг после освобождения манжеты (обозначается как сто2Макс);
c реактивная гиперемия площадь под кривой (AUC)); рассчитывается с момента выпуска манжета 1-, 2 - и 3-мин должность манжеты непроходимость (AUC 1-мин, АУК 2-мин и AUC 3-мин, соответственно); и
d гиперемирована резерв, рассчитывается как изменения в StO2 выше базовой линии и как изменения (%). Это значение вычисляется как высокая насыщенность, достигнутые в период после окклюзионной отскок минус средней насыщенности, рассчитанные на шаге 3.5.1 (см. выше).
Примечание: Большие различия в исходных данных будет значительно повлиять на интерпретацию гиперемирована резерва.
4. функциональные Sympatholysis
Примечание: Репрезентативных данных трассировки, иллюстрирующие экспериментальная процедура измерения функциональных sympatholysis изображен на рисунке 4.
- Документ предметом, как указано выше (приборов).
- Обеспечить герметичное уплотнение в зале LBNP.
- С темой лежал еще и в состоянии покоя Соберите 3 мин исходных данных.
- На отметке 3 мин Включите пылесос. Таким образом, что давление в камере LBNP составляет от-20 до -30 мм рт.ст, Отрегулируйте вакуум. Позволяют вакуума для запуска на 2 мин при наблюдении за его ответ.
- На отметке 5 мин выключите пылесос и позволять субъектам отдых за 3 мин.
- На отметке 8 мин, инициировать голосовые подсказки, направляя тему через сцепление упражнения художественной руки (20% MVC).
- Убедитесь, что предметом поддержание их давить во всем объеме каждой захватывающий этап и расслабляющий полностью во время между каждым повторением. Контролировать их вывода сил и подтвердить, что они достигают 20% MVC с каждой ручкой. Продолжать осуществлять до отметки 11 мин.
- В Марка 11 мин Включите пылесос, поощряя предметом продолжать их ритмические упражнения. Позволяют вакуума для запуска из 11-13 мин, а затем отключить его.
- У субъекта продолжить выполнение художественной руки сцепление упражнения на 20% их MVC для еще 2 мин. После прекращения упражнений спокойно отдыхать субъекта и по-прежнему лежат.
-
Вычисление функциональных Sympatholysis
- Нормализовать изменение оксигемоглобина с LBNP всего лабильной сигнал (TLS), определяется в течение 5 минут манжета прикуса:
- Рассчитайте каждое событие как среднее окончательный 20 мин каждого события.
- Вычислите упражнения индуцированной затухания оксигемоглобина сокращения:
- Нормализовать изменение оксигемоглобина с LBNP всего лабильной сигнал (TLS), определяется в течение 5 минут манжета прикуса:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Окислительный потенциал скелетных мышц
Рисунок 2 иллюстрирует представителя участника ответа во время оценки окислительного потенциала НДК производные скелетных мышц. Группа A показывает насыщенность ткани профиль в течение 5 мин артериальной манжеты окклюзии протокол, ручка упражнения и прерывистый артериальной окклюзии при восстановлении от упражнения. Группа B иллюстрирует ожидаемого ткани обесцвечивание/повторно-saturation профиль во время периодически артериальной окклюзии в период восстановления. Скорость насыщения прямо пропорциональна скорость потребления кислорода мышц и выводится на печать в группе C для каждого из периодов прерывистой манжеты окклюзии. Восстановления данных потребления кислорода вычисляемый мышц затем подходит к кривой monoexponential и производные постоянная времени восстановления. Используя тот же подход, растущее количество исследований оценивали скелетных мышц окислительного потенциала для здоровья и болезней, различных мышечных групп (Таблица 1).
Реактивная гиперемия
Рисунок 3 иллюстрирует НДК производные реактивная гиперемия профиля во время теста представитель окклюзии сосудов. Этот же подход был использован в широком спектре исследуемых групп населения и групп мышц с хорошим успехом (Таблица 2). Эти данные указывают, что реактивная гиперемия, БИК производные не только предоставляет ценную информацию о сосудистой реактивности, но что тест легко приспосабливается и клинически значимым.
Функциональные Sympatholysis
Таблица 3 приведены существующей литературы, используя точное же нейроваскулярных муфты подход, описанные здесь для измерения функциональных sympatholysis, показаны механистическим и клинически значимые исходы. В здоровый управления субъектов когда LBNP накладывается на мягкая ручка, рефлекторное сокращение мышц кислородом гасится ~ 50% (Рисунок 4). Неспособность ослабление активности нервных симпатичная(ый) (сосудосуживающие) во время упражнения, как с сердечно-сосудистой системы или неврологические заболевания (табл . 3), нарушает баланс между доставки кислорода и использования и вызывает функциональных мышц ишемии.
Рисунок 1. Экспериментальная установка и приборостроение. (A) представитель экспериментальной установки, с характерной темой лежа лежа на кровати с их ногами в камере LBNP и полностью инструментальной. (B) доминирующей arm-инструментами с неинвазивная кровяное давление бить и бить устройство для измерения артериального давления бить до биться и плечевой артерии кровяного давления манжеты для калибровки и проверки системы бить и бить. (C) инструментария недоминирующей руки. Рука комфортно захвата рукоятки динамометра (связанных с системой сбора данных), и мышцы предплечья инструментирована с ближней инфракрасной спектроскопии зонд. (D) после инструментирования, БИК optodes, покрыты тканью черный винил (для устранения помех от окружающего света). Кроме того система быстрого манжеты инфляции помещается над плечевой артерией. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Протокол окислительного потенциала скелетных мышц. (A) необработанные данные трассировки от представителя субъекта измеряется через БИК, показаны насыщения тканей (2кН) с течением времени. После установления стабильной базовой, Плечевая артерия недоминирующей руки закрыта на пять минут для того, чтобы создать резерв обесцвечивание субъекта (разница между базовой StO2 и Надир). После восстановления от окклюзии предметом проинструктирован для выполнения 50% Изометрические ручка, следуют 18 серии инфляции быстрого манжеты для оценки кинетика восстановления потребление кислорода мышц. (B) данных, затем проводится анализ автономно путем вычисления среднего наклона каждого следующие серии окклюзии манжеты осуществлять; показанные здесь с помощью гипотетических манжеты окклюзии рядов данных. (C) для того, чтобы вычислить постоянная времени восстановления мышц кислородом, наклон каждого из 18 окклюзий быстрого манжеты (т.е. потребление кислорода после упражнений мышцы, mV̇O2) от A заговор против времени и подходят для monoexponential кривая. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Реактивная гиперемия экспериментальный протокол. С темой, лежа на спине, записать по крайней мере 1 мин базовых данных, следуют 5 мин всего манжеты артериальной окклюзии и по крайней мере 3 мин восстановления после выпуска манжеты. Обратите внимание на очевидное дублирование между протокол окислительного потенциала скелетных мышц (рис. 2) и этот протокол. «Базовый» определяет период времени до манжеты артериальной окклюзии. ' Склон 1' определяет уровень насыщения при окклюзии манжеты и рассматривается как мера метаболизма скелетных мышц. Наименьшее значение2 кН, полученные во время ишемии определяется как «сто2 минимум» и рассматривается как мера ишемического толчком к vasodilate. Уровень реперфузии насыщенность ткани обозначается как «уклон 2' и индекс реактивной гиперемии; как максимум2 кН и реактивная гиперемия «площадь под кривой» (AUC)). Чтобы разобраться в заповеднике гиперемирована, сто2 максимальная выражается как процентное изменение от базовой линии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. Функциональные sympatholysis экспериментальный протокол. Левой панели: необработанные данные трассировки от представителя субъекта. С темой, лежа лежа в зале LBNP позволяют 3 мин устойчивого состояния базовых данных коллекции. Включите LBNP -20 мм рт.ст на 2 мин оксигемоглобина/Миоглобин должны уменьшаться в ответ на рефлекторные симпатичная(ый) вазоконстрикция (синий круг, затененной области). Разрешить 2 мин для восстановления. Спросите вопрос для выполнения упражнений ритмической рукоятки на 20% MVC (измеряется до сбора данных). После 3 минут ритмические упражнения повторите-20 мм рт.ст LBNP для 2 мин в то время как вопрос продолжает осуществлять, следуют 2 мин упражнения без LBNP. Сокращение оксигемоглобина/Миоглобин должна быть значительно ослабленный (красный круг, затененной области). Если еще не выполнено, надуйте тонометра над плечевой артерии осуществляющих руку за 5 минут установить диапазон субъекта обесцвечивания. Обратите внимание, что Затененные участки на рисунке предназначены только для выделения изменений в оксигемоглобина/Миоглобин; смотрите протокол для подробной информации о том, как анализировать результаты переменные, используемые для вычисления sympatholysis. Правая панель: LBNP-индуцированные изменения в оксигемоглобина/Миоглобин в покое и при рукоятки упражнение рассчитано исходя из данных на левой стороне. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Набор ссылок/данных | Обучение населения | Размер выборки (n) |
Возраст участников (лет ± SD) |
Тау (τ) (s) |
Группы мышц | НДК переменной сообщили | Устройство |
| Сцена и др. (2013) | Выносливость спортсменов | 8 | 25 ± 3 | 19 | Мышц бедра | Объема крови HBdiff/total | Непрерывная волна (Oxymon MK III) |
| Райан и др. (2014) | Молодые, здоровые | 21 | 26 ± 2 | 55 | Мышц бедра | HHb | Непрерывная волна (Oxymon MK III) |
| Южный и др. (2015) | Пожилые люди | 23 | 61 ± 5 | 63 | Сгибатели запястья | HBdiff | Непрерывная волна (Oxymon MK III) |
| Пожилые + сердечной недостаточности | 16 | 65 ± 7 | 77 | Сгибатели запястья | Непрерывная волна (Oxymon MK III) |
||
| Адами и др. (2017) | Курильщиков с нормальной спирометрия | 23 | 63 ± 7 | 80 | Медиальной предплечья | Индекс насыщения тканей (TSI) | Непрерывная волна (Portamon) |
| ХОБЛ золото 2-4 | 16 | 64 ± 9 | 100 | Медиальной предплечья | Непрерывная волна (Portamon) |
||
| Эриксон и др. (2013) | Травмы спинного мозга | 9 | 43 ± 11 | 143 | Мышц бедра | HbO2 | Непрерывная волна (Oxymon MK III) |
Таблица 1: Резюме ранее опубликованных докладов через континуум здравоохранения с помощью ближней инфракрасной спектроскопии для измерения окислительного потенциала скелетных мышц.
| Ссылка | Обучение населения | Группы мышц | Описанным исходам | Значение результата |
| Лакруа, J Биомед ОПТ, 2012 | Здоровых мужчин | Предплечье | Пик оксигемоглобина | 28.05 ± 3.15 МКМ |
| Пик общего гемоглобина | 10.56 ± 1.80 МКМ | |||
| Увеличение скорости на HbO пик2 | 0,75 ± 0,22 мкм/s | |||
| Увеличить скорость до пика всего Hb | 0.52 ± 0,16 мкм/s | |||
| Kragelj, Энн Биомед Рус, 2001 | Заболевания периферических сосудов | Предплечье | Потребление кислорода | 0.68 ± 0,04 мл/мин |
| Время до пика | 153 ± 16 s | |||
| Максимальное абсолютное изменение в HbO2 | 2,93 ± 0,22 мкм/100 мл | |||
| Suffoletto, реанимация, 2012 | После сердечной арест СИС Admittants | Тенара возвышение | Обесцвечивание курс | -5.6 ± 2 %/min |
| Resaturation ставка | 0,9 ± 0,6 %/sec | |||
| Dimopoulos, Respir уход, 2013 | Гипертензия легочной артерии | Тенара возвышение | Базовые насыщения с 21% O2 | 65.8 ± 14,9% |
| O2 Норма потребления с 21% O2 | 35.3 ± 9.1 %/min | |||
| Реперфузии курс с 21% O2 | 535 ± 179 %/min | |||
| Doerschug, я J Physiol сердце Circ Physiol, 2007 | Отказ органа и сепсис | Предплечье | Базовые насыщенность | 84% |
| Реоксигенацию курс | 3.6 %/s | |||
| Mayeur, Crit уход Med, 2011 | Септический шок | Тенара возвышение | Базовые насыщенность | 80 ± 1,0% |
| Обесцвечивание склона | -9.8 ± 3.7 %/min | |||
| Восстановления склона | 2.3 ± 1.4 %/sec | |||
| McLay, Exp Physiol, 2016 | Здоровых мужчин | Tibialis передняя | Базовые насыщенность | 71,3% 2,9 ± |
| Минимальная насыщенность | 44,8 ± 8,6% | |||
| Обесцвечивание склона | -0,1 ± 0,03 %/s | |||
| Восстановления склона | 1.63 ± 0.5 %/s | |||
| Пик насыщенность | 82,6% ± 2.3 | |||
| McLay, физиология Rep, 2016 | Здоровых мужчин | Tibialis передняя | Базовые насыщенность | 71.1 ± 2,4% |
| Минимальная насыщенность | 46.2 ± 7,5% | |||
| Пик насыщенность | 82.1 ± 1,4% | |||
| Восстановления склона | 1.32 ± 0,38 %/s |
Таблица 2: Обзор ранее опубликованных докладов через континуум здравоохранения с помощью ближней инфракрасной спектроскопии для измерения реактивная гиперемия.
| Ссылка | Обучение населения | % Затухание |
| Нельсон MD, J. Physiol, 2015 | Здоровые | -57 |
| Мышечная дистрофия Беккера | -13 | |
| Vongpatanasin, J. Physiol, 2011 | Здоровые | -93 |
| Гипертензия | -14 | |
| Фадель, J. Physiol, 2004 | До менопаузы | -84 |
| После менопаузы | -19 | |
| Сандер, PNAS, 2000 | Здоровые | -74 |
| Мышечной дистрофии Дюшенна | . + 7 | |
| Нельсон MD, неврологии, 2014 | Здоровые | -54 |
| Мышечной дистрофии Дюшенна | -7 | |
| Цена, гипертензия, 2013 | До лечения гипертонии | -52 |
| Гипертония Лечение пост Небиволол | -97 | |
| Хансен, J. Clin. Инвест., 1996 | Здоровые упражнения на 20% MVC | -92 |
| Здоровые упражнения на 30% MVC | -125 |
Таблица 3: Сводка ранее опубликованных докладов через континуум здравоохранения с использованием спектроскопии в ближней ИК-области, в сочетании с нижней части тела отрицательные давления и рукоятки упражнение, для оценки функциональных sympatholysis.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Описанные здесь методы позволяют неинвазивная, клинической оценки реактивная гиперемия, муфта нервно-сосудистого и скелетных мышц окислительного потенциала в одно посещение клиники и лаборатории.
Критические соображения
Хотя НИРС является относительно надежный и простой в использовании, сбор этих данных требуют тщательного размещения optodes непосредственно над мышцы живота, плотно закреплены в месте, чтобы избежать движения артефакт и покрыты лист черный винил в тускло освещенной комнате, чтобы избежать вмешательство ближнего инфракрасного от внешнего света. Кроме того получение качественных данных опирается на четкой связи между тестером и предметом и командой тестирования. Мы и другие, обнаружил, что при выполнении соответствующей заботой и вниманием, БИК высокую воспроизводимость в течение одного визита и через несколько посещений10,11,24,29. Кроме того физиологических показателей исхода сообщили здесь (то есть, скелетных мышц окислительного потенциала, реактивная гиперемия и нервно-сосудистого муфта) чувствительны к экспериментальной/клинические вмешательства, как внутри, так и между ознакомительные поездки 30 , 31 , 10 , 11.
Существует в настоящее время ограниченный консенсус на соответствующей отчетности NIRS исхода. Например при измерении окислительного потенциала скелетных мышц, следователи подходят кинетика восстановления HbO232, ННВ19, Hbdiff30 и ткани O2 сатурации (настоящее исследование и другие33 ). Аналогичным образом аналогичные распространения результатов переменных также сообщалось за НИРС основе реактивная гиперемия. 34 , 35 , 36 , 37 Некоторые из этого несоответствия может относиться к типу БИК устройство, используемое. Например устройства частотное (как здесь) обеспечить абсолютное количественной HbO2 и ННВ и таким образом не могут быть затронуты острые изменения в общее содержание Hb (отрицая необходимость исправления данных). В отличие от однако, непрерывном устройств сильно страдают от острого изменения общего содержания гемоглобина, требующие коррекции данных25.
Модификации и устранение неполадок
Один из важных и в настоящее время неизбежным ограничение НИРС является глубина его ограниченной Проникновение (~ 2 см). Таким образом, можно значительно снизить ожирение конечности — и даже полностью устранить — NIRS сигналов и должны рассматриваться при отборе потенциальных субъектов. Для управления для этого, следователи предлагается измерить предплечья Толщина кожной складки и исключать участников с значительное периферической ожирения.
Любой фактор, который может модулировать сосудистой реакции, нервно-сосудистого муфты или скелетных мышц окислительный потенциал (например, лекарства, генетические мутации и т.д.) будут действительно влияет на первичной конечной точки измерения, описанные здесь . Следователи, поэтому рекомендуется учитывать эти факторы при адаптации этот протокол и планирования будущих экспериментов.
Для определения функциональных sympatholysis следователи могут пожелать включить второй покоя LBNP задача обеспечения сигнал все еще присутствует и что различия во время упражнения LBNP были не просто из-за потери сигнала или измерения ошибки. Рекомендуется разрешить 3-5 мин позволить оксигемоглобина сигнала до полного выздоровления до исходных значений прежде чем повторять покоя LBNP вызов.
Будущих приложений или направления после освоения этой техники
NIR спектроскопии использует лазерный свет для оценки концентрации гемоглобина кислородом и венозная в ткани. Полагают, что во время измерения реактивная гиперемия и функциональные sympatholysis, относительные изменения в эти параметры представляют собой изменения в микрососудистой потока. Диффузный корреляции спектроскопии (DCS) является, возникающих вблизи инфракрасных изображений подход, который, помимо оценки концентрации кислорода- и deoxyhemoglobin, можно также определить микрососудистой перфузии38. Учитывая очевидные сходства между этими двумя подходами изображений, включение DCS в предлагаемых методов будет практически бесшовной и могут предоставлять дополнительную информацию о количественной оценке микрососудистой функции и перфузии.
Как только освоил эту технику, применение клинического населения, таких, как те, с сердечной недостаточностью, обеспечит важные механистический проницательность в нетерпимости упражнения и сердечно-сосудистой дисфункции.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что они не имеют никаких финансовых интересов.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Техасского университета в Арлингтоне междисциплинарных исследований программы грантов.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Dual-channel OxiplexTS Near-infrared spectroscopy machine | Iss Medical | 101 | |
| NIRS muscle sensor | Iss Medical | 201.2 | |
| E20 Rapid cuff inflation system | Hokanson | E20 | |
| AG101 Air Source | Hokanson | AG101 | |
| Smedley Handgrip dynometer (recording) | Stolting | 56380 | |
| Powerlab 16/35, 16 Channel Recorder | ADInstruments | PL3516 | |
| Human NIBP Set | ADInstruments | ML282-SM | |
| Bio Amp | ADInstruments | FE132 | |
| Quad Bridge Amp | ADInstruments | FE224 | |
| Connex Spot Monitor | Welch Allyn | 71WX-B | |
| Origin(Pro) graphing software | OrignPro | Pro | |
| Lower body negative pressure chamber | Physiology Research Instruments | standard unit |
References
- Huang, A. L., et al. Predictive value of reactive hyperemia for cardiovascular events in patients with peripheral arterial disease undergoing vascular surgery. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 27 (10), 2113-2119 (2007).
- Suryapranata, H., et al. Predictive value of reactive hyperemic response on reperfusion on recovery of regional myocardial function after coronary angioplasty in acute myocardial infarction. Circulation. 89 (3), 1109-1117 (1994).
- Richardson, R. S., et al. High Muscle Blood-Flow in Man - Is Maximal O2 Extraction Compromised. J of Appl Physiol. 75 (4), 1911-1916 (1993).
- Clifford, P. S., Hellsten, Y. Vasodilatory mechanisms in contracting skeletal muscle. J Appl Physiol. 97 (1), 393-403 (2004).
- Hansen, J., Thomas, G. D., Jacobsen, T. N., Victor, R. G. Muscle metaboreflex triggers parallel sympathetic activation in exercising and resting human skeletal muscle. Am J Physiol. 266 (6 Pt 2), H2508-H2514 (1994).
- Thomas, G. D., Victor, R. G. Nitric oxide mediates contraction-induced attenuation of sympathetic vasoconstriction in rat skeletal muscle. J Physiol. 506 (Pt 3), 817-826 (1998).
- Hansen, J., Thomas, G. D., Harris, S. A., Parsons, W. J., Victor, R. G. Differential sympathetic neural control of oxygenation in resting and exercising human skeletal muscle. J Clin Invest. 98 (2), 584-596 (1996).
- Rosenmeier, J. B., Fritzlar, S. J., Dinenno, F. A., Joyner, M. J. Exogenous NO administration and alpha-adrenergic vasoconstriction in human limbs. J Appl Physiol. 95 (6), 2370-2374 (2003).
- Fadel, P. J., Keller, D. M., Watanabe, H., Raven, P. B., Thomas, G. D. Noninvasive assessment of sympathetic vasoconstriction in human and rodent skeletal muscle using near-infrared spectroscopy and Doppler ultrasound. J Appl Physiol. 96 (4), 1323-1330 (2004).
- Nelson, M. D., et al. PDE5 inhibition alleviates functional muscle ischemia in boys with Duchenne muscular dystrophy. Neurology. 82 (23), 2085-2091 (2014).
- Nelson, M. D., et al. Sodium nitrate alleviates functional muscle ischaemia in patients with Becker muscular dystrophy. J Physiol. 593 (23), 5183-5200 (2015).
- Remensnyder, J. P., Mitchell, J. H., Sarnoff, S. J. Functional sympatholysis during muscular activity. Observations on influence of carotid sinus on oxygen uptake. Circ Res. 11, 370-380 (1962).
- Kodama, S., et al. Cardiorespiratory fitness as a quantitative predictor of all-cause mortality and cardiovascular events in healthy men and women: A meta-analysis. JAMA. 301 (19), 2024-2035 (2009).
- Westerblad, H., Place, N., Yamada, T. Muscle Biophysics: From Molecules to Cells. Rassier, D. E. , Springer. New York. 279-296 (2010).
- Tyni-Lenné, R., Gordon, A., Jansson, E., Bermann, G., Sylvén, C. Skeletal muscle endurance training improves peripheral oxidative capacity, exercise tolerance, and health-related quality of life in women with chronic congestive heart failure secondary to either ischemic cardiomyopathy or idiopathic dilated cardiomyopathy. Am J of Cardiol. 80 (8), 1025-1029 (1997).
- Cabalzar, A. L., et al. Muscle function and quality of life in the Crohn's disease. Fisioter Mov. 30, 337-345 (2017).
- Esch, B. T., Scott, J. M., Warburton, D. E. Construction of a lower body negative pressure chamber. Adv Physiol Educ. 31 (1), 76-81 (2007).
- Ryan, T. E., Southern, W. M., Reynolds, M. A., McCully, K. K. A cross-validation of near-infrared spectroscopy measurements of skeletal muscle oxidative capacity with phosphorus magnetic resonance spectroscopy. J Appl Physiol. 115 (12), 1757-1766 (2013).
- Ryan, T. E., Brophy, P., Lin, C. T., Hickner, R. C., Neufer, P. D. Assessment of in vivo skeletal muscle mitochondrial respiratory capacity in humans by near-infrared spectroscopy: a comparison with in situ measurements. J Physiol. 592 (15), 3231-3241 (2014).
- Adami, A., Rossiter, H. B. Principles, insights and potential pitfalls of the non-invasive determination of muscle oxidative capacity by near-infrared spectroscopy. J Appl Physiol. , (2017).
- Corretti, M. C., et al. Guidelines for the ultrasound assessment of endothelial-dependent flow-mediated vasodilation of the brachial artery - A report of the International Brachial Artery Reactivity Task Force. J Am Coll Cardiol. 39 (2), 257-265 (2002).
- Thijssen, D. H., et al. Assessment of flow-mediated dilation in humans: a methodological and physiological guideline. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 300 (1), H2-H12 (2011).
- Green, D. J., Jones, H., Thijssen, D., Cable, N. T., Atkinson, G. Flow-mediated dilation and cardiovascular event prediction: does nitric oxide matter? Hypertension. 57 (3), 363-369 (2011).
- Southern, W. M., Ryan, T. E., Reynolds, M. A., McCully, K. Reproducibility of near-infrared spectroscopy measurements of oxidative function and postexercise recovery kinetics in the medial gastrocnemius muscle. Appl Physiol Nutr Metab. 39 (5), 521-529 (2014).
- Ryan, T. E., Erickson, M. L., Brizendine, J. T., Young, H. J., McCully, K. K. Noninvasive evaluation of skeletal muscle mitochondrial capacity with near-infrared spectroscopy: correcting for blood volume changes. J Appl Physiol. 113 (2), 175-183 (2012).
- Ryan, T. E., et al. Skeletal muscle oxidative capacity in amyotrophic lateral sclerosis. Muscle Nerve. 50 (5), 767-774 (2014).
- Mayeur, C., Campard, S., Richard, C., Teboul, J. L. Comparison of four different vascular occlusion tests for assessing reactive hyperemia using near-infrared spectroscopy. Crit Care Med. 39 (4), 695-701 (2011).
- McLay, K. M., et al. Vascular responsiveness determined by near-infrared spectroscopy measures of oxygen saturation. Exp Physiol. 101 (1), 34-40 (2016).
- McLay, K. M., Nederveen, J. P., Pogliaghi, S., Paterson, D. H., Murias, J. M. Repeatability of vascular responsiveness measures derived from near-infrared spectroscopy. Physiol Rep. 4 (9), (2016).
- Ryan, T. E., Southern, W. M., Brizendine, J. T., McCully, K. K. Activity-induced changes in skeletal muscle metabolism measured with optical spectroscopy. Med Sci Sports Exerc. 45 (12), 2346-2352 (2013).
- Southern, W. M., et al. Reduced skeletal muscle oxidative capacity and impaired training adaptations in heart failure. Physiol Rep. 3 (4), (2015).
- Ryan, T. E., Brizendine, J. T., McCully, K. K. A comparison of exercise type and intensity on the noninvasive assessment of skeletal muscle mitochondrial function using near-infrared spectroscopy. J Appl Physiol. 114 (2), 230-237 (2013).
- Adami, A., Cao, R., Porszasz, J., Casaburi, R., Rossiter, H. B. Reproducibility of NIRS assessment of muscle oxidative capacity in smokers with and without COPD. Respir Physiol Neurobiol. 235, 18-26 (2017).
- Lacroix, S., et al. Reproducibility of near-infrared spectroscopy parameters measured during brachial artery occlusion and reactive hyperemia in healthy men. J Biomed Opt. 17 (7), 077010 (2012).
- Bopp, C. M., Townsend, D. K., Warren, S., Barstow, T. J. Relationship between brachial artery blood flow and total [hemoglobin+myoglobin] during post-occlusive reactive hyperemia. Microvasc Res. 91, 37-43 (2014).
- Willingham, T. B., Southern, W. M., McCully, K. K. Measuring reactive hyperemia in the lower limb using near-infrared spectroscopy. J Biomed Opt. 21 (9), 091302 (2016).
- Kragelj, R., Jarm, T., Erjavec, T., Presern-Strukelj, M., Miklavcic, D. Parameters of postocclusive reactive hyperemia measured by near infrared spectroscopy in patients with peripheral vascular disease and in healthy volunteers. Ann Biomed Eng. 29 (4), 311-320 (2001).
- Gurley, K., Shang, Y., Yu, G. Noninvasive optical quantification of absolute blood flow, blood oxygenation, and oxygen consumption rate in exercising skeletal muscle. J Biomed Opt. 17 (7), 075010 (2012).
